EP1316997A2 - Umrichter in Druckkontaktierung - Google Patents

Umrichter in Druckkontaktierung Download PDF

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EP1316997A2
EP1316997A2 EP02026281A EP02026281A EP1316997A2 EP 1316997 A2 EP1316997 A2 EP 1316997A2 EP 02026281 A EP02026281 A EP 02026281A EP 02026281 A EP02026281 A EP 02026281A EP 1316997 A2 EP1316997 A2 EP 1316997A2
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EP
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warts
contact
elevations
arrangement according
circuit arrangement
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EP02026281A
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EP1316997B1 (de
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Thomas Frank
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Semikron Elektronik GmbH and Co KG
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Semikron Elektronik GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00—Package configurations

Definitions

  • the invention relates to a converter in pressure contact consisting of a Base body, a substrate with circuitry arranged on it with each other connected semiconductor components and provided on this substrate Contact surfaces, power connection elements for DC and AC voltage connections for contacting these contact surfaces and for contacting a DC link and the AC connection.
  • Such pressure-contacted circuit arrangements are exemplary from DE 101 27 947 known.
  • pressure-contacted inverters form the state of the art various connection techniques between the different contact areas, e.g. on the substrate or on the intermediate circuit board and with the power connection elements.
  • Warts are known on the contact surfaces of the intermediate circuit, which are by means of a flat trained connecting element can be contacted.
  • the disadvantage here is that the warts some have different heights and therefore contact with not all warts or at least not completely manufactured. More importantly, the warts due to their spherical segment-like shape only a small common contact area with the have flat surface of the connecting element. This limits the current carrying capacity of such connections is crucial, since the area through which current flows is direct Represents the current carrying capacity.
  • connection known from the prior art is the integral connection Connection as can be done, for example, by soldering. Large-area solder connections However, they have the disadvantage of low durability in power semiconductor modules due to the inadequate load change capability.
  • the object of the present invention is a circuit arrangement to introduce, the main connections are made in pressure contact and the Contact areas are as large as possible to ensure a high current carrying capacity as well as to allow a low inductive coupling.
  • the basic idea of the invention lies in the deformation of warts by the Pressure contacting of the power semiconductor module.
  • deformable warts applied which by elevations of the connection elements only partially covered.
  • these warts come into contact with pressure, they become like this deformed that they adapt to the contour of the elevations of the connection elements and to form as large a common surface with them as possible. This is coming directly benefits the current carrying capacity of these connections.
  • Another advantage of the invention is the compensation of small differences in height between individuals Warts and / or individual surveys of the connection elements to one another, since the warts be deformed by the pressure contact and thus a safe and flat contact will be produced.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a contact within a converter according to the State of the art.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a contacting within a converter the state of the art.
  • Fig. 3 shows the inventive design of the individual parts of a contact within of an inverter.
  • Fig. 4 shows the mode of operation of the inventive design of the contacting within of an inverter.
  • FIG. 6 shows various configurations of the inventive contacting in a top view.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a contact within a converter according to the State of the art.
  • the counterpart (1) of the contact (21) has a conductive layer (3) with warts arranged thereon (4) which, when the converter is in pressure contact electrically conductive connection between the contact (21) and its counterpart (1) produce.
  • the conductive surface is on the very small contact area (22) limited.
  • Fig. 3 shows the inventive design of the individual parts of a contact within of an inverter.
  • the contact (10) configured as a one-piece metal pressed part has Elevations (11) on (Fig. 3c).
  • the counterpart (1) has, for example, an inside the same lying electrically conductive layer with connections to that of the contact (10) facing surface. These connections are electrically conductive with them connected warts made of soft solder arranged (Fig. 3a).
  • Another embodiment (Fig. 3b) of the counterpart (1) of the contact (10) already corresponds to that in Fig. 1 described with an electrically conductive layer (3) on the contact facing side and warts arranged thereon (4).
  • the contact (10) is arranged in relation to its counterpart (1) that the elevations (11) of the contact (10) are not the base of the warts (4) cover completely, but have a lateral offset.
  • the warts are pressurized by the pressure-contacted structure of the converter the elevations are partially deformed such that there is a contact surface (12) between the Elevations (11) and the warts (4), which in their entirety results in at least one fifth the base of the warts.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the contacting according to the invention.
  • the Base area of the elevations (11) is smaller than the base area of the warts (4) (Fig. 5a). Also this results in a pressure after the pressure-contacted structure (FIG. 5b) is initiated Deformation of the warts (4) such that the respective contact area (12) is larger than one Fifth of the wart base area.
  • FIG. 6 shows various configurations of the inventive contacting in a top view.
  • FIG. 6a shows the top view of the embodiment according to FIG. 4.
  • the portion is parallel to Surface of the counterpart (1) of the contact (10), the contact area between the Elevations (11) and the warts (4) and their arrangement in series can be clearly seen.
  • Fig. 6b shows an embodiment with an offset of the warts (4) to the contact (10) not in the direction of the longitudinal extent of the contact, but orthogonally to it.
  • 6c shows a further inventive embodiment in such a way that not only one survey a wart (4) but two warts are assigned. Furthermore, the warts (4) and elevations (11) assigned to them are arranged in a matrix. 6d shows that each a wart (4) two surveys (11) are assigned.

Landscapes

  • Inverter Devices (AREA)
  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)
  • Contacts (AREA)
  • Wire Bonding (AREA)
  • Die Bonding (AREA)
  • Switches Operated By Changes In Physical Conditions (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Umrichter in Druckkontaktierung mit Kontaktflächen, Stromanschlusselementen für Gleich- und Wechselspannungsanschlüsse zur Kontaktierung dieser Kontaktflächen sowie zur Kontaktierung einer Gleichstromzwischenkreisplatine sowie des Wechselstromanschlusses, wobei
eine Kontaktierung (10) eines Stromanschlusselements mit dem Substrat oder dem Gleichstromzwischenkreis Erhebungen (11) aufweist sowie deren Gegenstück (1) an den Kontaktstellen verformbare Warzen (4), wobei die Grundflächen der Warzen (4) durch die Erhebungen (11) nur teilweise überdeckt werden und die Warzen mittels der Druckkontaktierung durch die Erhebungen derart verformt werden, dass die gemeinsame Kontaktfläche (12) einer Warze (4) und einer Erhebung (11) mindestens ein Fünftel der Grundfläche einer Warze (4) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter in Druckkontaktierung bestehend aus einem Grundkörper, einem Substrat mit darauf angeordneten schaltungsgerecht miteinander verbunden Halbleiterbauelementen sowie auf diesem Substrat vorgesehenen Kontaktflächen, Stromanschlusselementen für Gleich- und Wechselspannungsanschlüsse zur Kontaktierung dieser Kontaktflächen sowie zur Kontaktierung eines Gleichstromzwischenkreises und des Wechselstromanschlusses.
Derartige druckkontaktierte Schaltungsanordnungen sind beispielhaft aus der DE 101 27 947 bekannt. Bei Umrichtem der Leistungsklasse besonders wichtige Aspekte sind eine niederinduktive Stromzufuhr aus dem Zwischenkreis sowie eine hohe Stromtragfähigkeit aller Komponenten der Leistungsanschlüsse, d.h. der Plus- und Minusanschlüsse des Zwischenkreises sowie der Wechselstromanschlüsse. In druckkontaktierten Umrichtern bilden den Stand der Technik verschiedene Verbindungstechniken zwischen den verschieden Kontaktflächen, z.B. auf dem Substrat oder auf der Zwischenkreisplatine und mit den Stromanschlusselementen.
Bekannt sind Warzen auf den Kontaktflächen des Zwischenkreises, die mittels eines flächig ausgebildeten Anschlusselements kontaktiert werden. Nachteilig ist hierbei, dass die Warzen zum Teil eine unterschiedliche Höhe aufweisen und daher der Kontakt nicht mit allen Warzen oder zumindest nicht vollständig hergestellt wird. Noch entscheidender ist, dass die Warzen durch ihrer kugelsegmentartige Form nur eine geringe gemeinsam Kontaktfläche mit der planen Oberfläche des Anschlusselements aufweisen. Dies schränkt die Stromtragfähigkeit derartiger Verbindungen entscheidend ein, da die stromdurchflossene Fläche ein direktes Maß für die Stromtragfähigkeit darstellt.
Ebenfalls bekannt sind plane Kontaktflächen beispielhaft auf den Kontaktstellen des Substrats sowie Erhebungen auf dem Anschlusselementen mit einer sägezahnartig ausgebildeten der Kontaktstelle zugewandten Oberfläche. Der wesentliche Nachteil dieser Ausgestaltung ist ebenfalls die geringe Kontaktfläche und damit die ungenügende Stromtragfähigkeit dieser Verbindungen.
Eine weitere nach dem Stand der Technik bekannte Verbindung ist die stoffschlüssige Verbindung, wie sie beispielhaft durch Löten erfolgen kann. Großflächige Lötverbindungen weisen allerdings in Leistungshalbleitermodulen den Nachteil der geringen Dauerhaltbarkeit auf Grund der mangelhaften Lastwechselfähigkeit auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung vorzustellen, wobei die Hauptanschlüsse in Druckkontaktierung ausgeführt sind und die Kontaktflächen möglichst groß sind um eine hohen Stromtragfähigkeit zu gewährleisten sowie eine niederinduktive Ankopplung zu erlauben.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt in der Verformung von Warzen durch die Druckkontaktierung des Leistungshalbleitermoduls. Hierzu werden auf den Kontaktflächen verformbare Warzen aufgebracht, welche durch Erhebungen der Anschlusselemente nur teilweise überdeckt werden. Bei der Druckkontaktierung diese Warzen werden diese derart verformt, dass sie sich an die Kontur der Erhebungen der Anschlusselemente anpassen und damit ein möglichst große gemeinsame Oberfläche mit diesen bilden. Dies kommt unmittelbar der Stromtragfähigkeit dieser Verbindungen zugute.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt im Ausgleich geringer Höhendifferenzen einzelner Warzen und / oder einzelner Erhebungen der Anschlusselemente zueinander, da die Warzen durch die Druckkontaktierung verformt werden und somit ein sicherer und flächiger Kontakt hergestellt wird.
Die erfinderische Lösung wird an Hand der Fig. 1 bis 6 weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltung einer Kontaktierung innerhalb eines Umrichters nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Kontaktierung innerhalb eines Umrichters nach dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt die erfinderische Ausgestaltung der Einzelteile einer Kontaktierung innerhalb eines Umrichters.
Fig. 4 zeigt die Wirkungsweise der erfinderische Ausgestaltung der Kontaktierung innerhalb eines Umrichters.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltungen der erfinderischen Kontaktierung.
Fig. 6 zeigt verschiedene Ausgestaltungen der erfinderischen Kontaktierung in Draufsicht.
Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltung einer Kontaktierung innerhalb eines Umrichters nach dem Stand der Technik. Das Gegenstück (1) der Kontaktierung (21) weist eine leitende Schicht (3) mit darauf angeordneten Warzen (4) auf, die bei Druckkontaktierung des Umrichters die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Kontaktierung (21) und ihrem Gegenstück (1) herstellen. Die leitende Fläche ist hierbei auf den sehr kleinen Kontaktbereich (22) beschränkt.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Kontaktierung innerhalb eines Umrichters nach dem Stand der Technik. Hierbei wird um den Nachteil der geringen Kontaktflächen (vgl. Fig. 1) zu vermeiden die Kontaktierung (21) mittels einer stoffschlüssigen Verbindung (z.B. Lot) direkt mit der leitenden Schicht (3) des entsprechenden Gegenstücks (1) verbunden.
Fig. 3 zeigt die erfinderische Ausgestaltung der Einzelteile einer Kontaktierung innerhalb eines Umrichters. Die als einstückiges Metallpressteil ausgestaltete Kontaktierung (10) weist Erhebungen (11) auf (Fig. 3c). Das Gegenstück (1) weist beispielsweise eine innerhalb desselben liegende elektrisch leitende Schicht mit Verbindungen zu der der Kontaktierung (10) zugewandten Oberfläche auf. Auf diesen Verbindungen sind mit ihnen elektrisch leitend verbundene Warzen aus Weichlot angeordnet (Fig. 3a). Eine weitere Ausgestaltung (Fig. 3b) des Gegenstücks (1) der Kontaktierung (10) entspricht derjenigen in Fig. 1 bereits beschriebenen mit einer elektrisch leitenden Schicht (3) auf der der Kontaktierung zugewandten Seite und darauf angeordneten Warzen (4).
Fig. 4 zeigt die Wirkungsweise der erfinderischen Ausgestaltung der Kontaktierung innerhalb eines Umrichters. Die Kontaktierung (10) ist derart zu ihrem Gegenstück (1) angeordnet, dass die Erhebungen (11) der Kontaktierung (10) die Grundfläche der Warzen (4) nicht vollständig überdecken, sondern einen seitlichen Versatz aufweisen. Mittels der Druckeinleitung des druckkontaktierten Aufbaus des Umrichters werden die Warzen durch die Erhebungen teilweise derart verformt, dass sich eine Kontaktfläche (12) zwischen den Erhebungen (11) und den Warzen (4) ergibt, die in ihrer Gesamtheit mindestens ein Fünftel der Grundfläche der Warzen aufweist.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfinderischen Kontaktierung. Hierbei ist die Grundfläche der Erhebungen (11) kleiner als die Grundfläche der Warzen (4) (Fig. 5a). Auch damit ergibt sich nach Druckeinleitung des druckkontaktierten Aufbaus (Fig. 5b) eine Verformung der Warzen (4) derart, dass die jeweilige Kontaktfläche (12) größer ist als ein Fünftel der Warzengrundfläche.
Fig. 6 zeigt verschiedene Ausgestaltungen der erfinderischen Kontaktierung in Draufsicht. Fig. 6a zeigt die Draufsicht der Ausgestaltung nach Fig. 4. Hierbei ist der Anteil, parallel zur Oberfläche des Gegenstücks (1) der Kontaktierung (10), der Kontaktfläche zwischen den Erhebungen (11) und den Warzen (4) sowie deren Anordnung in Reihe deutlich zu erkennen. Fig. 6b zeigt einen Ausgestaltung mit einem Versatz der Warzen (4) zu der Kontaktierung (10) nicht in Richtung der Längsausdehnung der Kontaktierung, sondem orthogonal hierzu. Fig. 6c zeigt ein weitere erfinderische Ausgestaltung derart, dass einer Erhebung nicht nur eine Warze (4) sondern zwei Warzen zugeordnet sind. Weiterhin sind die Warzen (4) und die ihnen zugeordneten Erhebungen (11) matrixartig angeordnet. Fig. 6d zeigt, dass jeweils einer Warze (4) zwei Erhebungen (11) zugeordnet sind.

Claims (8)

  1. Umrichter in Druckkontaktierung bestehend aus einem Grundkörper, einem Substrat mit darauf angeordneten schaltungsgerecht miteinander verbundenen Halbleiterbauelementen sowie auf diesem Substrat vorgesehenen Kontaktflächen, Stromanschlusselementen für Gleich- und Wechselspannungsanschlüsse zur Kontaktierung dieser Kontaktflächen sowie zur Kontaktierung einer Gleichstromzwischenkreisplatine sowie des Wechselstromanschlusses, wobei mindestens eine Kontaktierung (10) mindestens eines Stromanschlusselements mit dem Substrat und / oder dem Gleichstromzwischenkreis und / oder dem Wechselstromanschluss Erhebungen (11) aufweist, und wobei das Gegenstück (1) an den Kontaktstellen verformbare Warzen (4) aufweist, wobei die Grundflächen der Warzen (4) durch die Erhebungen (11) nur teilweise überdeckt werden und die Warzen mittels der Druckkontaktierung durch die Erhebungen derart verformt werden, dass die gemeinsame Kontaktfläche (12) einer Warze (4) und einer Erhebung (11) mindestens ein Fünftel der Grundfläche einer Warze (4) aufweist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Erhebung (11) genau eine Warze (4) zugeordnet ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Erhebung (11) mindestens zwei Warzen (4) zugeordnet sind.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer Warze (4) mehr als jeder Erhebung (11) zugeordnet ist.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Warzen (4) und die Erhebungen (11) in Reihe angeordnet sind.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Warzen (4) und die zugeordneten Erhebungen (11) matrixartig angeordnet sind.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Warzen (4) aus einem handelsüblichen Weichlot bestehen.
  8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (10) mit den Erhebungen (11) einstückige Metallpressteile sind.
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